СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КАЛИБРОВКИ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для проведения калибровки инерциальных измерительных модулей (ИИМ), в состав которых входят датчики угловой скорости (ДУС) и акселерометры.

Известен быстрый способ калибровки ИИМ [1]. В соответствии с данным способом, оператор вращает ИИМ во всех направлениях без внешнего оборудования, либо с помощью оборудования. Снимаемые в это время с ИИМ данные позволяют определять 12 коэффициентов моделей погрешностей датчиков ИИМ, в том числе скорости дрейфов и масштабные коэффициенты ДУС, нулевые сигналы и масштабные коэффициенты акселерометров.

Недостатком данного способа является отсутствие среди оцениваемых коэффициентов модели ошибок калибруемых датчиков коэффициентов G-чувствительности. Определение этих коэффициентов особенно актуально для микромеханических ДУС, т.к. дрейфы, вызванные влиянием линейных ускорений на показания ДУС такого типа, могут достигать уровня 0.1°/с и являются величинами одного порядка с нулевыми сигналами ДУС. Не включение данных коэффициентов в модель погрешностей ДУС приводит к неверному оцениванию нулевых сигналов ДУС.

Известен также способ калибровки ИИМ по каналу акселерометров [2], при проведении которого ИИМ закрепляют на платформе поворотного стола низкой точности, платформу поворотного стола разворачивают во всем диапазоне углов крена и тангажа относительно вектора ускорения свободного падения с фиксированным шагом, в каждом положении фиксируют показания акселерометров и углы поворотов, численными методами проводят идентификацию математической модели каждого акселерометра, в процессе идентификации проводят минимизацию суммарной невязки показаний датчиков при варьировании смещений шкал датчиков углов поворотов платформы и угловых смещений осей поворотов платформы, затем проводят привязку измерительного базиса акселерометров к осям ИИМ, для чего точно определяют ориентацию ИММ в двух различных положениях относительно вектора ускорения свободного падения, при этом рассматриваемый способ не накладывает ограничений на число и расположение калибруемых акселерометров в составе ИИМ.

Недостатком данного способа является необходимость использования специальных устройств для точной регистрации углов поворота платформы, что усложняет конструкцию поворотной установки и методику калибровки.

Известен широкодиапазонный стенд [3]. Стенд содержит поворотную платформу для крепления испытуемого измерителя и подвода к нему питания через кольцевой коллектор, персональную ЭВМ, в слоты которой встроена схема сопряжения с элементами управления испытательными характеристиками платформы и датчиками контролируемых параметров испытуемых измерителей, установленные на платформе охладитель воздуха, термоэлектрический модуль с микровибростолом и универсальную термокамеру.

Недостатком данного стенда являются большие габариты и сложность конструкции, что делает его применение для калибровки микромеханических инерциальных модулей экономически нецелесообразным.

Известен также широкодиапазонный стенд [4] для контроля параметров измерителей угловых скоростей, содержащий платформу для крепления контролируемого измерителя и подвода к нему питания через кольцевой коллектор, персональную ЭВМ, в слоты которой встроена схема сопряжения с элементами управления испытательными характеристиками платформы и датчиками контролируемых параметров испытуемых измерителей, шесть кварцевых маятниковых акселерометров, гироскопический ДУС, два геркона, магнит, механизм отслеживания, суммирующий двухканальный усилитель.

Известен также стенд для контроля прецизионных датчиков угловых скоростей [5], содержащий основание, имеющее возможность вращаться вокруг оси стенда и предназначенное для закрепления на нем контролируемого датчика угловой скорости, имеющего датчик угла, датчик момента, соединенные через усилитель обратной связи, электродвигатель привода стенда, редукцию, коллектор для подвода питания к контролируемому датчику угловой скорости, задатчик эталонного напряжения.

Данные стенды не позволяют без перезакрепления контролировать параметры датчиков, имеющих две и более осей чувствительности.

Наиболее близким аналогом к заявляемому способу является способ калибровки датчиков угловой скорости бесплатформенного ИИМ [6], реализованный в известном широкодиапазонном стенде (например, УПГ-48), обеспечивающем приблизительно горизонтальное задание вектора угловой скорости с фиксированным направлением в пространстве. С помощью стендового оборудования вращают ИИМ последовательно вокруг трех приблизительно ортогональных осей ИИМ. Во время вращения записывают показания ИИМ по каналу акселерометров, показания ДУС. По сигналам акселерометров определяют угловую скорость ИИМ в базисе акселерометров. Идентифицируя математическую модель ДУС, определяют нулевые сигналы ДУС, матрицу, описывающую масштабные коэффициенты, перекрестные связи, ориентацию осей чувствительности ДУС в ИИМ, матрицу, описывающую влияние линейного ускорения на показания ДУС. При этом автоматически обеспечивается привязка осей ДУС к измерительному базису акселерометров.

Недостатками данного способа являются:

- необходимость предварительной калибровки акселерометров и переустановки ИИМ на платформе,

- определение вектора угловой скорости вращения ИИМ по сигналам акселерометров посредством формирования разделенной разности оценок углов ориентации ИММ на соседних тактах их опроса, т.е. численного дифференцирования сигналов акселерометров, что приводит к высокой интенсивности случайной составляющей в формируемых оценках, принимаемых в данном способе калибровки датчиков угловой скорости за входное воздействие. Это значительно ограничивает достижимую точность калибровки.

Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству является известный прецизионный полноповоротный углозадающий стол для испытаний элементов инерциальных приборов [7].

Недостатком данного устройства является невозможность без перезакрепления ИИМ на платформе стенда осуществлять вращение ИИМ вокруг его некомпланарных осей.

Задачей разрабатываемого способа является автоматизация процесса калибровки и, тем самым, исключение ошибок, вызванных человеческим фактором, а также снижение времени, затрачиваемого на получение результатов калибровки, и повышение точности определения калибруемых параметров.

Задачей разрабатываемого устройства является повышение технологичности и снижение трудоемкости процедуры калибровки.

Техническим результатом для способа являются:

1) повышение автоматизации процедуры калибровки за счет задания вращения ИИМ вокруг его некомпланарных осей с изменяемой угловой скоростью без применения процедур перезакрепления ИИМ на платформе устройства,

2) снижение времени, затрачиваемого на получение результатов калибровки, за счет применения алгоритмов совместной обработки данных, записанных с ДУС и акселерометров ИИМ,

3) повышение точности определения калибруемых параметров за счет перехода от операции дифференцирования углов, получаемых по сигналам акселерометров ИИМ к операции интегрирования угловых скоростей, определяемых по сигналам ДУС ИИМ, при определении разности между параметрами углового движения платформы устройства калибровки, измеренными акселерометрами ИИМ и ДУС ИИМ.

Техническим результатом для устройства является снижение времени, затрачиваемого на процедуру калибровки, за счет обеспечения возможности задания вращения ИИМ вокруг его некомпланарных осей с изменяемой угловой скоростью на устройстве, в котором только одна ось приводится во вращение двигателем, без применения процедур перезакрепления ИИМ на платформе устройства.

Указанный технический результат для способа достигается тем, что в известном способе калибровки ИИМ, включающем установку ИИМ на платформу устройства для калибровки таким образом, чтобы обеспечить задание угловой скорости двигателем вокруг трех приблизительно ортогональных осей ИИМ, вращение ИИМ вокруг приблизительно горизонтальной оси с переменными угловыми скоростями и идентификацию составляющих математических моделей ДУС, в частности погрешности масштабного коэффициента, постоянной составляющей скорости дрейфа и коэффициентов g-чувствительности для достижения указанного выше технического результата вращения вокруг трех ортогональных осей системы координат, связанной с ИИМ, осуществляются путем однократного закрепления ИИМ на платформе устройства, а оценка составляющих как моделей ошибок для ДУС, так и для моделей ошибок акселерометров, включающих погрешности масштабного коэффициента и нулевые сигналы, осуществляется на основе вычисления невязок оценок углов разворота осей чувствительности ИИМ по показаниям ДУС и акселерометров в результате единого цикла калибровочных движений.

Указанный технический результат для устройства достигается тем, что в известное устройство для калибровки ИИМ, включающее двигатель и платформу, на которой располагают калибруемый ИИМ с блоком записи информации, между двигателем и платформой введен кардановый подвес (КП) с внутренней рамой и фиксатором, выполненным с возможностью обеспечения взаимно ортогональных положений внутренней рамки и расположенным на ее оси; между платформой и внутренней рамкой размещен фиксатор платформы, позволяющий устанавливать платформу во взаимно ортогональные положения относительно внутренней рамки.

Кроме того, на платформе устройства может быть установлен интерфейс беспроводной передачи данных.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена кинематическая схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 - схема поворотов, на фиг. 3 - опытный образец предлагаемого устройства.

На чертежах приняты следующие обозначения:

1 - управляемый двигатель

2 - опоры внутренней рамы 5 КП

3 - фиксатор внутренней рамы 5 КП

4 - внешняя рама КП

5 - внутренняя рама КП

6 - опоры внешней рамы 4 КП

7 - ИИМ

8 - платформа

9 - фиксатор внешней рамы 4 КП

I - ось внешней рамы 4 КП

II - ось внутренней рамы 5 КП

III - ось платформы 8

Оξηζ - система координат, связанная с плоскостью горизонта

Oxyz - система координат, связанная с конструктивными осями устройства для калибровки. Ось Ох совпадает с осью I наружной рамы 6 КП, ось Oz - с осью II внутренней рамы 5 КП. Ось Oy перпендикулярна осям Ох и Oz.

Ox₁x₂x₃ - система координат, жестко связанная с ИИМ 7.

ψ_с, θ_с, γ_с - углы Эйлера-Крылова, описывающие ориентацию системы координат Oxyz относительно Оξηζ.

α₁ β₁ - углы Эйлера-Крылова, описывающие ориентацию системы координат Ox₁x₂x₃ относительно Oxyz.

Предлагаемый способ калибровки осуществляется следующим образом. Ось I вращения внешней рамки 4 КП располагают приблизительно горизонтально (допустимое отклонение оси I вращения внешней рамки 4 КП от плоскости горизонта не должно превышать 20°), что делает возможным использование для измерения угла поворота ИИМ 7 относительно плоскости горизонта сигналов акселерометров испытуемого ИИМ 7. Для этого ИИМ 7 устанавливается на платформу 8 устройства для калибровки таким образом, чтобы ось I вращения двигателя 1 совпадала с осью Ox₁ с отклонением не более 5°. После этого с помощью двигателя 1 задают вращение ИИМ 7 с изменяемой угловой скоростью. Варьирование угловой скорости вращения обусловлено необходимостью разделения скорости дрейфа и погрешности масштабного коэффициента ДУС, что невозможно в случае постоянной скорости вращения. Отметим, что при выборе диапазона изменения скорости вращения необходимо исходить из диапазона измерения ДУС. Затем платформу 8 с установленным на ней ИИМ 7 поворачивают на 90° относительно оси III, обеспечивая тем самым совпадение оси Ох₃ с осью I вращения двигателя 1 с отклонением не более 5°, и повторяют цикл вращений. После этого разворачивают внутреннюю раму 5 КП на 90° относительно внешней рамы 4, обеспечивая тем самым совпадение оси Ох₂ с осью I вращения двигателя 1 с отклонением не более 5° и повторяют цикл вращений. Записывают измеренные при вращении платформы 8 датчиками ИИМ 7 проекции угловых скоростей и кажущихся ускорений на измерительные оси ИИМ 7. На основе полученных в результате испытаний данных инерциальных датчиков оценивают нулевые сигналы и погрешности масштабных коэффициентов акселерометров, нулевые сигналы, погрешности масштабных коэффициентов и коэффициенты g-чувствительности ДУС, углы α₁β₁.

При построении математического аппарата, используемого для получения оценок составляющих математической модели ошибок датчиков ИИМ 7, введено допущение о том, что за период проведения калибровки нестабильность калибруемых параметров не превышает допустимую погрешность.

Проведенные ранее исследования показали, что при калибровке микромеханических ИИМ требуют идентификации следующие параметры:

для ИИМ: матрица, описывающая отклонение осей чувствительности инерциальных датчиков от оси вращения (отметим, что погрешность установки модуля на платформу устройства для калибровки на практике значительно превышает взаимную неортогональность осей чувствительности датчиков в ИИМ)

для акселерометров: погрешность масштабного коэффициента δk_Wj и нулевой сигнал ΔW_xj

для ДУС: погрешность масштабного коэффициента δk_ωl, постоянная составляющая скорости дрейфа Δω_xj и коэффициенты g-чувствительности K_ji.

Математическая модель выходных сигналов акселерометров в этом случае примет вид:

Математическая модель выходных сигналов ДУС будет иметь вид:

Для обработки данных реализуется два типа алгоритмов:

1. Основан на методе наименьших квадратов. Позволяет получать точечные оценки составляющих моделей датчиков. Данный алгоритм используется для быстрой калибровки в автоматическом режиме. Для его реализации данные, собранные с датчиков ИИМ 7, подставляются в функции, выведенные в соответствии с методом наименьших квадратов из (2) и (3), при условии вращения ИИМ вокруг оси I, отклоненной от оси Ox₁ на угол не более 5°:

Коэффициенты математических моделей погрешностей датчиков ИИМ (ΔW₂, ΔW₃, δk_ω1, k₁₂, k₁₃, Δω_Х1, β₁, α₁, Δω_х2, Δω_х3, k₂₃, k₃₁), при которых достигается минимум функций (4)-(8), являются искомыми.

Если ИИМ 7 находится в положении, в котором ось Ох₂ ИИМ 7 отклонена от оси I на угол, не превышающий 5°, то минимизируемые функции получают циклической перестановкой коэффициентов в (4)-(8) 1→2→3→1.

Если ИИМ 7 находится в положении, в котором ось Ох₃ ИИМ 7 отклонена от оси I на угол, не превышающий 5°, то минимизируемые функции получают циклической перестановкой коэффициентов в (4)-(8) 1→3→2→1.

2. Основан на методе оптимальной фильтрации. Позволяет получать временные реализации составляющих моделей датчиков. Данный метод используется при необходимости детального анализа погрешностей датчиков. Для его реализации на основе измеренных датчиками ИИМ 7 проекций угловых скоростей и кажущихся ускорений формируют измерения y_j(t_i). При условии вращения ИИМ 7 вокруг оси I, отклоненной от оси Ox₁ ИИМ на угол не более 5°, измерения y_j(t_i) будут иметь вид:

где - проекции сигналов акселерометров на оси Оξ, Оη, Oζ после вычитания из них ускорения свободного падения g. При известной (или вычисленной по сигналам гироскопов и акселерометров ИИМ 7) матрице направляющих косинусов А между осями систем координат Оξηζ, и Ox₁x₂x₃ их находят из следующего соотношения:

В результате вектор измерения будет иметь вид:

где С - матрица измерения.

V - вектор шумов измерения;

X - вектор состояния

Для оценивания элементов вектора состояния X по измерениям Y применяется процедура оптимальной фильтрации.

Если ИИМ находится в положении, в котором ось х₂ отклонена от оси вращения на угол, не превышающий 5°, то соотношения для алгоритма оценивания элементов вектора состояния получают циклической перестановкой коэффициентов в (9)-(15) 1→2→3→1.

Если ИИМ находится в положении, в котором ось х₃ отклонена от оси вращения на угол, не превышающий 5°, то соотношения для алгоритма оценивания элементов вектора состояния получают циклической перестановкой коэффициентов в (9)-(15) 1→3→2→1.

Предлагаемое устройство для калибровки содержит двигатель 1, платформу 8, КП, устанавливаемый между двигателем 1 и платформой 8 в опорах 6 и включающий внешнюю раму 4 и внутреннюю раму 5, фиксатор 3 внутренней рамы 5, фиксатор 9 платформы 8. Внешняя рама 4 устанавливается во внутреннюю раму 5 в опорах 2. На платформе 8 располагают испытуемый ИИМ 7 с устройством записи информации.

Устройство работает следующим образом. Двигатель 1 вращает внешнюю раму 4 КП вокруг оси I, установленной в опорах 6. Посредством фиксатора 3 внутренней рамы 5 устанавливают внутреннюю рамку 5 КП в положения, при которых ось III и ось I либо параллельны, либо перпендикулярны. Посредством фиксатора 9 платформы 8 устанавливают платформу 8 относительно внутренней рамки 5 КП во взаимно ортогональные положения.

Съем информации с испытуемого ИИМ 7 осуществляется либо с помощью блока записи информации, расположенного на платформе 8 устройства для калибровки, либо с помощью интерфейса беспроводной передачи данных. В этом случае передатчик для беспроводной передачи данных размещается на платформе 8 устройства для калибровки, а приемник с блоком записи информации или устройством обработки информации размещается вне устройства для калибровки. Подача питания на ИИМ 7 осуществляется либо через скользящие токоподводы, расположенные на валу внешней рамы 4 КП, либо от аккумуляторов, расположенных непосредственно на платформе 8 устройства для калибровки.

Применение математического аппарата, построенного на основе метода наименьших квадратов или оптимальной фильтрации, позволяет при обработке собранных во время процедуры быстрой калибровки показаний датчиков ИИМ вычислять составляющие математической модели ошибок ИИМ, в частности нулевые сигналы и погрешности масштабных коэффициентов ДУС и акселерометров, ориентацию измерительных осей ИИМ относительно оси вращения и коэффициенты g-чувствительности ДУС. При этом исключается влияние человеческого фактора на результаты вычислений и снижается время, затрачиваемое на получение результатов калибровки.

Данным изобретением обеспечивается технологичность калибровки на уровне способов, реализованных с помощью многоосных калибровочных стендов при значительном упрощении конструкции, уменьшении массы и габаритов и значительном снижении стоимости калибровочного оборудования.

Таким образом, использование предлагаемых способа и устройства позволяет повысить технологичность и снизить трудоемкость процедуры калибровки, повысить точность определения калибруемых параметров. Это позволяет автоматизировать процесс калибровки и, тем самым, исключить ошибки, вызванные человеческим фактором, а также снизить время, затрачиваемое на получение результатов калибровки.

Опытный образец предлагаемого устройства для калибровки создан при совместном участии ЗАО «Газприборавтоматикасервис» и ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» и проходит испытания.

Список использованных источников

1. Пат. US 2014372063 (A1) US, МПК⁷ G01P 21/00. Quick calibration method for inertial measurement unit / NIU XIAOJI [CN] и др.; заявитель UNIV WUHAN [CN] - № US 201314239145; заявл. 05.03.2013; опубл. 18.12.2014.

2. Пат. РФ 2477864, МПК⁷ G01P 21/00. Способ калибровки инерциального измерительного модуля по каналу акселерометров/ Корюкин М.С.; патентообладатель Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро Промышленной Автоматики" (RU) - №2011148861/28; заявл. 30.11.2011; опубл. 20.03.2013, Бюл. №6. - 5 с.: 1 ил.

3. Пат. РФ 2162230, МПК⁷ G01P 21/00. Широкодиапазонный стенд для контроля бесплатформенных инерциальных измерительных блоков / Ачильдиев В.М. и др.; заявители и патентообладатели Ачильдиев В.М., Дрофа В.Н., Рублев В.М.. - №2000105697/28; заявл. 13.03.2000; опубл. 20.01.2001, Бюл. №2. - 5 с.: 3 ил.

4. Пат. РФ 2142643, МПК⁶ G01P 21/00. Широкодиапазонный стенд для контроля измерителей угловой скорости / Калихман Л.Я. и др.; заявитель и патентообладатель Производственное объединение "Корпус" - №96114080/28; заявл. 10.07.1996; опубл. 10.12.1999, Бюл. №23. - 12 с.: 6 ил.

5. А.с. СССР 476516, МКИ G01P 13/00. 1973 г.

6. Пат. РФ 2447404, МПК⁷ G01P 21/00. Способ калибровки датчиков угловой скорости бесплатформенного инерциального измерительного модуля / Корюкин М.С.; патентообладатель Открытое акционерное общество "Конструкторское Бюро Промышленной Автоматики" (RU) - №2010124735/28; заявл. 16.06.2010; опубл. 10.04.2012, Бюл. №7. - 4 с.: ил.

7. Прецизионный полноповоротный углозадающий стол для испытаний элементов инерциальных приборов [Текст] / Р.В. Емаков [и др.] // XVIII Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам: сб. мат. XVIII междунар. конф. / ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» - СПб, 2011. - С. 119-123.